ELE222. Bahar 2009 D5101

Transkript

1 ELE222 Dr. H. Bülent YAĞCI Bahar 2009 D5101

2 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Herhangi bir malzemeden akım akabilmesi için malzeme içerisinde taşıyıcı yük niteliğinde parçacıklar bulunmalıdır. Yüklü Parçacığın taşıyıcı yük niteliği taşıyabilmesi için malzeme içerisinde serbestçe dolaşabilmesi ve uygulanan elektriksel alan ile yörüngesinin değişebilmesi gerekir. Elektronlar: Akım iletiminde, özellikle iletkenlede akım taşınmasında, taşıyıcı yk olarak rol oynar. Malzemenin iletken, yalıtkan veya elektronikte büyük öneme sahip olan yarıiletlen özelliğe sahip olabilmesi kristal yapısına bağlıdır.

3 ELE-222 İletkenlik Özet Katı maddelerin elektriksel iletkenlikleri, onların bant yapılarına ve içerdikleri serbest yüklü taşıyıcıların yoğunluklarına bağlıdır. Band yapılarına göre katıları dört grupta ele alınabilir. Bunlar; metaller, yarı metaller, yarıiletkenler ve yalıtkanlardır. Bunlardan metaller ve yarı metaller elektriği iletirler ve iletken maddeler olarak adlandırılırlar. Sıcaklık arttıkça iletkenlikleri azalma gösterir. Yarıiletken maddelerin, içlerine katılan uygun elementlerle elektriksel iletkenlikleri değiştirilebilir ve hatta pozitif (DELİK) veya negatif (ELEKTRON) yüklü taşıyıcıların yoğunlukları aynı yöntemle değiştirilebilir. İletkenlikleri sıcaklık arttıkça, taşıyıcı yoğunluğunda hızlı bir artma gözlenmesi sonucu, artar. Yalıtkanlarda yasak enerji aralığının büyük olması sonucu serbest taşıyıcılar bulunmaz. Bu bakımdan elektriği iletmezler. Süperiletkenlerde durum yukarıdakilerden farklı olmaktadır. Burada madde, belirli bir kritik sıcaklıkta sonsuz iletkenliğe geçmektedir. Süperiletken ortamda magnetik alan dışlanmaktadır. Bu olay Meissner olayı olarak bilinir. Magnetik alanın yeteri kadar büyük olması durumunda süperiletkenlik hali ortadan kalkmaktadır yılından sonra yüksek sıcaklık süperiletkenleri dediğimiz bakır oksitli bileşikler (125 K) bulunmuş ve oda sıcaklığında (300 K) süperiletken madde bulma arayışı yoğun bir şekilde sürmektedir.

4 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Atom Yapısı: 1911 Rutherford: Güneş Sistemine benzeyen yapı 1913 Bohr: Yörüngde hareket eden elektronların çekirdek üzerine neden düşmediğine getirdiği açıklama De Broglie: Hareket halindeki cismin dalga özelliklerine sahip olacağını ileri sürdü Schrodinger: De Broglie hipotezinden yararlanarak elektronun dalga kimliğinin kullanılması ile dalga denkleminin çözülebileceğini ileri sürdü. Çözümle bulunan değerler: (kuantum sayıları) n, l, m ile gösterilir. n: Ana kuantum sayısı l: Yörüngesel kuantum sayısı m: Manyetik kuantum sayısı 3 kuantum sayısı elektronun atom içindeki kimliğini açıklamak için yeterli olmadığından, s: Spin kuantum sayısı(+-1/2 değerlerin alır)

5 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Elektronların Kabuklara Dağılımı: Atom içerisinde elektronların syısının 1 den fazla olması durumunda: Elektron kabuklara dağılırken iki ilkeye uyar: 1-Minimum enerji ilkesi: Elektronlar atom içinde kabuklara dağılırken önce önce toplam enerjisi düşük olan seviyeler dolacak, daha sonra enerjisi daha yüksek olan seviyelere elektron yerleşebilecektir. (Yalnız atom için geçerli değildir, elektron bulunan herhangi bir ortamda elektronlar önce seviye olarak düşük enerjilerden itibaren dağılım gösterirler) 2-Bağdaşmazlık ilkesi: Elektronun kimliği 4 kuantum sayısı ile belirlenir. Pauli tarafından tanımlanan bu ilkeye göre; atom içinde 4 kuantum sayısı da aynı olan 2 elektron olamaz. 4 kuantum sayısı aynı olan bir başka elektron ancak farklı bir atomda bulunabilmektedir.(ortamda enerji seviyesi aynı olan elektron sayısının tek olacağı biçimindedir).

6 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Kristal Yapı ve Enerji Bantları: Doğada bulunan maddeler: (Katı, Sıvı ve Gaz) Katı malzemelerin çoğu kristal yapıya sahiptir. (birim kristal hücrenin madde içinde tekrarlanmasından oluşur) Valans elektronlarının enerji seviyelerindeki farklılaşmalar nedeniyle, valans elektronlarının değişik enerji seviyelerini içeren bir enerji bandı meydana gelir. Snouçta iki nat arasında, elektronların alamayacağı enerji bandı olan YASAK BANT meydana gelir. Enerjisi düşük elektronlarla dolu bant: VALANS BANDI, Yasak Bandı aşabilecek elektronların bulundunduğu bant: İLETİM BANDI Adını alır.

7 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Kristal Yapı ve Enerji Bantları: Yasak band olmayan, yani valans bandı ile iletim bandı bitişik olan ve her türlü koşulda akım iletimiminin mimkün olduğu malzemelere İLETKEN adı verilir. Yasak bant genişliği büyük olmayan (<3eV yaklaşık) ve normal koşullarda az da olsa iletim bandında elektron bulundurabilen malzemelere YARIİLETKEN denir. Yarıiletkenlerde iletkenlik sıcaklıkla artar. (Düşük sıcaklıklarda yalıtkan gibi davranır) Yasak bant genişliği büyük olan (>3eV yaklaşık) malzemelere YALITKAN denir. Malzemenin elektriksel özellikleri büyük ölçüde kristal yapısına bağlıdır. Ör: Karbon, Grafit akım iletir, elmas akım iletmez gibi.

8 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Kristal Yapı ve Enerji Bantları: E İLETİM BANDI İletim Bandı E C E N E R J İ Yasak Enerji Bandı Valans Bandı E V E G (ev) YASAK BAND VALANS BANDI E G İLETKEN YARIİLETKEN YALITKAN Si için: 1,21 ev, 0,785eV (0ºK) (1eV=1, Joule) Oda sıcaklığında: Si: 1.1eV, Ge:0.72eV

9 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Kristal Yapı ve Enerji Bantları: İletim Bandı İletim Bandı İletim Bandı E C E F E V E acceptor E C E F E V E G E - - donor E C E F E V Valans Bandı p=n=n i Valans Bandı n>>p Valans Bandı p>>n ( a ) ( b ) ( c )

10 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Direnç: Direnç, Özdirenç: Kesiti S, uzunluğu l olan bir iletkenin direnci, R =ρ. ile hesaplanır. Burada, ρ ile iletkenin madde özelliklerini yansıtan özdirenç gösterilmektedir. l S İletken Yarı-İletken Yalıtkan Bakır ρ = Ω.cm Silisyum ρ = Ω.cm Germanyum ρ = 50Ω.cm Mika ρ =10 12 Ω.cm Bazı elementlerin oda sıcaklığındaki özdirenç değerleri

11 Direnç: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Elektriksel alan etkisinde kesitten karşılık geçen elektronların sayısı eşit olmaz ve net akım sıfırdan farklı olur. Alan etkisi ile oluşan bileşene hız bileşeni denir ve SÜRÜKLENME HIZI olarak adlandırılır. Sürüklenme hızı ile elektriksel alan arasındaki orantı katsayısı µ ile gösterilir. R R V S =µ.e = = ABx10 D ABCx10 A B C D Ω D Ω T 0 Siyah 1 Kahverengi 2 Kırmızı 3 Turuncu 4 Sarı 5 Yeşil 6 Mavi 7 Mor 8 Gri 9 Beyaz Tol: ±1 Kahverengi ± 2 Kırmızı ± 0,5 Yeşil ± 10 Gümüş ± 5 Altın D: -2 Gümüş -1 Altın

12 Direnç: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Potansiyometreler: Trimpot: üç bacaklı ayarlı direnç. Doğrusal olmayan dirençler: VDR: Voltage Dependent Resistor LDR: Light Dependent Resistor Termistör: Sıcaklıkla direncin değeri azalacak yapı: NTC Sıcaklıkla direncin değeri artacak yapı: PTC

13 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Kondansatör: Uçlarına doğru gerilim uygulandığında yük depolayan elemana denir. Uçlarına V gerilimi uygulanan kondansatör: Birim: F Farad 1 µf=10-6 F 1 nf=10-9 F 1 pf=10-12 F Q= CV İki paralel levhadan oluşan kondansatörün kapasitesi: Z : Dielektrik _ sbt. r 0 dq i = = dt C C A = ε d ε ε = ε xε C jωc r = 1 dv dt

14 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Endüktans (bobin): Ortamda manyetik akı bulunması halinde endüktans etkisi ile karşılaşılır. Tel sarılarak elde edilen ve endüktans etkisi gösteren elemana BOBİN denir. Birim: H Henry 1 µf=10-6 H 1 nf=10-9 H 1 pf=10-12 H V = dφ dt φ = Li di V = L dt Z L = j ω L

15 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Many materials contain some 'free' electrons which can move in response to an applied electric field. By attaching a pair of metal wires and applying a voltage between them we can move these charge carriers through the material. The result is a current whose magnitude depends on the characteristics of the piece of material and the applied voltage. Ohm's law says that the current we get is proportional to the potential difference between the wires. Most common conducting materials obey Ohm's law.

16 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Yarıiletkenler: İletim bandı ve valans bandı arasında yasak bölge bulunan krsital yapıla sahip malzemelerdir. Yarıiletken içerisinde yabancı malzeme bulunmuyor ve düzgün bir kristal yapıya sahip yarışletkenkere HAS YARILETKEN denir. Atomlar arasında ikişer elektrondan oluşan bağlar bulunmaktadır (valans bağ, kovalent bağ, elektron bağ) Periyodik cetvelin 4A grubunda yer alan tüm elementlerin atomik yapılarının son yörüngelerinde 4 tane değerlik (valans) elektronu vardır. Bu tip elementlerin atomları kendi aralarında ortaklaşa bağ (kovalent bağ) oluşturarak kararlı bir bileşik yapı oluştururlar. Tüm atomlar, son yörüngelerindeki dört adet elektronlarını ortaklaşa kullandıklarından, son yörünge elektron sayıları sekize ulaşmıştır. ekil de gösterilen bu muntazam yapı, kristal yapı adını almaktadır. Bu yapı elektrik akımını iletme özelliğine henüz sahip değildir.

17 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Yarıiletkenler: Bu yapının elektrik akımını iletme özelliğine henüz sahip olmadığı unutulmamalıdır. Ortam sıcaklığının artması ile enerjisi artan elektron iletim bandına geçebilir. Bu durumda yük dengesi bozulur. Pozitif elektron yüküne sahip atoma DELİK adı verilir.

18 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları n-tipi Yarıiletkenler: Has yarıiletkene kristal yapısını bozmadan yabancı madde katılarak elektriksel özelliği değiştirilebilir. Bu işleme katkılama denir. 4 Valans değerli yarıiletkene 5 Valans değerli malzemeler olan: Bizmut (Bi, 83), Fosfor (P, 15), Arsenik (As, 33), Antimuan (Sb, 51) katkılanır. Katkı atomlarının 5. elektronları, valans bağı oluşturamadığından, atomuna olan bağı çok zayıflamıştır. Bu elektron atomundan ayrılarak iletim bandına geçer.

19 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları p-tipi Yarıiletkenler: Saf haldeki germanyum veya silisyum atomları arasına son yörüngesinde 3 adet değerlik elektronu olan periyodik cetvelin üçüncü grubundan galyum, indiyum gibi elementlerin katkılanması ile elde edilen yapı, p-tipi yarı-iletken adını alır.

20 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları P ve ntipi Yarıiletkenler: 1. İletim bandının az altında enerji seviyesine sahip bir malzeme ile katkılama yapıldığında,veren atom olarak adlandırılan atomdaki elektron kolayca iletim bandına geçer. Katkılamanın amacı,veren atomdan alınan elektronlar ile iletim bandındaki elektron yoğunluğunu arttırmaktır. Bu tür yarıiletkenlere n-tipi yarı iletken denir.katkılama atomlarına veren atom denir.

21 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları P ve ntipi Yarıiletkenler: 2. Valans bandının az üstünde enerji seviyesine sahip eksik/boş bağa sahip bir malzeme ile katkılama yapıldığında,valans badındaki elektronlar bu tarafa hareket ederler ve bu bağlardan açığa çıkan + yükler dlikler oluşur. Bu tür yarıiletkenlere n-tipi yarı iletken denir.katkılama atomlarına alan atom denir.

22 Yarıiletkende Akım: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları

23 pn Jonksiyon Diyot: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları To understand how a pn-junction diode works, begin by imagining two separate bits of semiconductor, one n-type, the other p-type.

24 pn Jonksiyon Diyot: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Bring them together and join them to make one piece of semiconductor which is doped differently either side of the junction.

25 pn Jonksiyon Diyot: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Free electrons on the n-side and free holes on the p-side can initially wander across the junction. When a free electron meets a free hole it can 'drop into it'. So far as charge movements are concerned this means the hole and electron cancel each other and vanish.

26 pn Jonksiyon Diyot: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Free electrons on the n-side and free holes on the p-side can initially wander across the junction. When a free electron meets a free hole it can 'drop into it'. So far as charge movements are concerned this means the hole and electron cancel each other and vanish.

27 pn Jonksiyon Diyot: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları As a result, the free electrons and holes near the junction tend to eat each other, producing a region depleted of any moving charges. This creates what is called the depletion zone.

28 pn Jonksiyon Diyot: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Now, any free charge which wanders into the depletion zone finds itself in a region with no other free charges. Locally it sees a lot of positive charges (the donor atoms) on the n-type side and a lot of negative charges (the acceptor atoms) on the p-type side. These exert a force on the free charge, driving it back to its 'own side' of the junction away from the depletion zone.

29 pn Jonksiyon Diyot: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları The acceptor and donor atoms are 'nailed down' in the solid and cannot move around. However, the negative charge of the acceptor's extra electron and the positive charge of the donor's extra proton (exposed by it's missing electron) tend to keep the depletion zone swept clean of free charges once the zone has formed. A free charge now requires some extra energy to overcome the forces from the donor/acceptor atoms to be able to cross the zone. The junction therefore acts like a barrier, blocking any charge flow (current) across the barrier.

30 pn Jonksiyon Diyot: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları Usually, we represent this barrier by 'bending' the conduction and valence bands as they cross the depletion zone. Now we can imagine the electrons having to 'get uphill' to move from the n-type side to the p-type side. For simplicity we tend to not bother with drawing the actual donor and acceptor atoms which are causing this effect! The holes behave a bit like balloons bobbing up against a ceiling. On this kind of diagram you require energy to 'pull them down' before they can move from the p- type side to the n-type side. The energy required by the free holes and electrons can be supplied by a suitable voltage applied between the two ends of the pnjunction diode. Notice that this voltage must be supplied the correct way around, this pushes the charges over the barrier. However, applying the voltage the 'wrong' way around makes things worse by pulling what free charges there are away from the junction! This is why diodes conduct in one direction but not the other.

31 pn Jonksiyon Diyot: ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları

32 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot IV Karakteristiği:

33 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot IV Karakteristiği: When the voltage is applied this way round it tends to pull the free electrons and holes apart, and increases the height of the energy barrier between the two sides of the diode. As a result it is almost impossible for any electrons or holes to cross the depletion zone and the diode current produced is virtually zero. A few lucky electrons and holes may happen to pick up a lot of thermal (kinetic) energy. This gives them enough 'go' to cross the barrier, hence the reversed biassed current is not zero, just very, very small. When the voltage is applied this way round it tends to push the electrons and holes towards the junction. It also reduces the height of the energy barrier and reduces the width of the depletion zone. These effects make it easier for free electrons and holes with modest amounts of thermal (kinetic) energy to cross the junction. As a result, we get a sizeable current through the diode when we apply a forward bias voltage.

34 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot IV Karakteristiği: If you look up diodes in a physics book you'll probably find an explanation which finishes up telling you that current through a diode varies exponentially with the applied voltage. The shape of this exponential curve depends upon various factors which include a 'fiddle factor' called the saturation current.

35 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot IV Karakteristiği: V d represents the height of the diode barrier when no voltage is applied. This means that the energy required for an electron (or hole) to be able to cross the barrier is ev d. The 'square law' model assumes that the current, when forward biassed, is proportional to the square of the applied voltage. The 'corner' model assumes that the current is zero for any voltage below V d but rises when we try to apply a voltage greater than this. In effect, the diode is viewed as a sort of 'switch' which is open when we apply low or negative voltages but which closes when we try to apply a voltage equal to or greater than V d. This means that it is impossible to get a voltage larger than this across the diode. If we try to apply a larger voltage one of two things happen; either the voltage source gives all the current it can manage and the diode current sits at this value, or the current is so high that the power warming the diode (= voltage x current) blows it up! In this way of looking at things, V d is called the corner voltage. The 'one way' model simplifies things even more by assuming that the corner voltage is so small that we can regard it as being zero! Although this is a drastic simplification, for many practical purposes, it is the only thing we need to remember about a diode. That is, it behaves like a switch which is open (no current) when we apply volts on way and closed (as much current as we like) when we try to apply volts the other way. Whichever simple model we adopt, the basic diode maxim is therefore: Forward bias - all current, almost no volts. Reverse bias - all volts, almost no current.

36 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot denklemi: (a) pn jonksiyon açık dervre). (b) Jonksiyon icindeki yük dağılımı

37 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot denklemi: Figure 3.46 The pn junction excited by a constant-current source I in the reverse direction. To avoid breakdown, I is kept smaller than I S. Note that the depletion layer widens and the barrier voltage increases by V R volts, which appears between the terminals as a reverse voltage.

38 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot denklemi: Figure 3.47 The charge stored on either side of the depletion layer as a function of the reverse voltage V R.

39 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot denklemi: Figure 3.48 The pn junction excited by a reverse-current source I, where I > I S. The junction breaks down, and a voltage V Z, with the polarity indicated, develops across the junction.

40 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot denklemi: Figure 3.49 The pn junction excited by a constant-current source supplying a current I in the forward direction. The depletion layer narrows and the barrier voltage decreases by V volts, which appears as an external voltage in the forward direction.

41 ELE-222 Elektron Hareketleri ve Devre Elemanları pn Jonksiyon Diyot denklemi: The SPICE diode model.

42 Figure 3.51 The SPICE diode model.

43 Figure 3.52 Equivalent-circuit model used to simulate the zener diode in SPICE. Diode D 1 is ideal and can be approximated in SPICE by using a very small value for n (say n = 0.01).

44 Figure 3.53 Capture schematic of the 5-V dc power supply in Example 3.10.

45 Figure 3.54 The voltage v C across the smoothing capacitor C and the voltage v O across the load resistor R load = 200 Ω in the 5-V power supply of Example 3.10.

46 Figure 3.55 The output-voltage waveform from the 5-V power supply (in Example 3.10) for various load resistances: R load = 500 Ω, 250 Ω, 200 Ω, and 150 Ω. The voltage regulation is lost at a load resistance of 150 Ω.

47 Figure E3.35 (a) Capture schematic of the voltage-doubler circuit (in Exercise 3.35).

48 Figure E3.35 (Continued) (b) Various voltage waveforms in the voltage-doubler circuit. The top graph displays the input sine-wave voltage signal, the middle graph displays the voltage across diode D 1, and the bottom graph displays the voltage that appears at the output.

49 Figure P3.2

50 Figure P3.3

51 Figure P3.4 (Continued)

52 Figure P3.4 (Continued)

53 Figure P3.5

54 Figure P3.6

55 Figure P3.9

56 Figure P3.10

57 Figure P3.16

58 Figure P3.23

59 Figure P3.25

60 Figure P3.26

61 Figure P3.28

62 Figure P3.54

63 Figure P3.56

64 Figure P3.57

65 Figure P3.58

66 Figure P3.59

67 Figure P3.63

68 Figure P3.82

69 Figure P3.91

70 Figure P3.92

71 Figure P3.93

72 Figure P3.97

73 Figure P3.98

74 Figure P3.102

75 Figure P3.103

76 Figure P3.105

77 Figure P3.108